阳澄西湖三通道工法选择及围堰明挖法、盾构法经济性分析

杨 旭 （中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 引言

随着我国经济的发展和水下施工技术的进步，许多水下隧道相继建成并成功运营，人们也改变了观念，使“遇水架桥”不再是唯一的选择[1]。水下隧道必须根据工程建设条件、环境要求，选用安全可靠、经济合理的施工工法予以建设，以谋求最大的技术、经济、环境和社会效益。目前水下隧道的修建方法主要有围堰明挖法、盾构法、沉管法与钻爆法（矿山法）[2～3]。

本文结合阳澄西湖三通道工程情况，在基于湖域的前提下，对各施工方法适用性进行分析比较，为阳澄西湖三通道项目及今后湖域隧道工程在选择工法时提供经济分析参考。

2 工程概况

2.1 隧道概况

苏州市阳澄西湖第三通道工程位于苏州市相城区与工业园区，北接济学路、南接星港街北延，以隧道形式由北向南下穿阳澄西湖，主线隧道为双向六车道，设计时速50km/h的城市主干路，隧道长度约1765m；支线匝道隧道为双向四车道，设计时速40km/h的城市主干路，隧道长约1470m（以南侧匝道计）。

2.2 地质概况

本次主要研究陆域范围的情况，根据地勘报告，阳澄西湖第三通道自上而下主要的地层情况为杂填土、素填土、黏土、粉质黏土、粉砂夹粉土等。阳澄西湖平均水深约2m。

3 工法初选

钻爆法施工水下隧道适用于中风化以下的较完整的岩石地层[4]，如青岛胶州湾海底隧道[5]、长沙市营盘路湘江隧道[6]，而湖域内主要为土层，因此，钻爆法不适用于本项目。

沉管法隧道需有合适的干坞场地，满足管节浮运的水深条件等[7]，典型工程有港珠澳海底隧道[8]、南昌红谷隧道[9]。结合该工程场区范围的水文地质条件与周边情况，阳澄西湖水深约2 m～6m，管节浮运困难，没有进行管段预制的干坞场地。同时，受控于湖域周边的环境与场地，沉管法不适用于本项目。

国内在湖域施工隧道的主要有围堰明挖法、盾构法，据不完全统计，主要案例见表1所示[10]。

如表1所示，在湖域施工的隧道，采用围堰明挖法明显多于盾构法，主要原因在于需要在湖域施工隧道的工程（除地铁外）多以市政道路，受使用功能、接线条件限制，覆土一般较小[11]，而明挖法隧道比盾构法隧道在这方面优势更明显。但是，围堰明挖法施工期对湖域生态、环境、景观影响较大。

国内湖域隧道建设概况 表1

钢板桩围堰、钢管桩围堰的适用条件 表2

结合阳澄西湖的实际情况，采用盾构法与围堰明挖法均可行，下文对围堰明挖法、盾构法进行经济分析比较，为今后湖域隧道工程在选择工法时提供经济分析参考。

4 工法详选——围堰明挖法、盾构法经济性分析

围堰明挖法隧道的主要工程包含围堰工程、基坑工程（围护结构）、主体结构工程以及装修、机电等配套工程。围堰工程与水深、湖域宽度关系较大，基坑工程与地质条件、基坑深度关系较大，主体结构工程与隧道埋深、水深关系较大。因此，在湖域（不考虑通航）隧道的前提下，隧道覆土一般可由设计确定，一般为1 m～3m，取平均值2m进行分析。同时，湖底地质条件多为软土层，地质条件一般较差。初步分析，对湖域围堰明挖法隧道延米造价影响较大的主要为水深与隧道长度。

盾构法隧道在地质条件一定的情况下，延米造价主要与隧道长度关系较大，因为盾构长度较短，则盾构的摊销以及盾构工作井、端头加固等费用的摊销较大，而盾构隧道延米造价与水深关系较小。

图1 钢板桩围堰标准断面图

不同水深围堰方案选择 表3

不同水深的结构厚度与围护方案 表4

综上分析，对一般湖域隧道而言，影响盾构法与围堰明挖法工程经济性的主要前提条件为湖域水深与隧道长度。

4.1 不同水深的围堰方案选择

钢围堰是在涉水工程建设中，为建造永久性构筑物而修建的挡土或挡水的临时性围护钢结构，湖域隧道明挖法施工围堰可以选择钢板桩围堰或钢管桩围堰。

通过对钢板桩围堰和钢管桩围堰的适用情况比较，水深2m、4m、6m、8m选择钢板桩围堰，水深10m、12m选择钢管桩围堰，具体参数选择见表3所示。

4.2 不同水深的围护与主体结构方案

如前所述，在隧道覆土2m情况下，基坑深度约10m，围护结构按SMW工法桩考虑。

图2 SMW工法桩围护典型断面图

图3 阳澄西湖三通道典型隧道横断面图

图4 时速50km/h双向六车道盾构隧道典型横断面图

不同水深的围堰明挖隧道延米造价估算表 表5

湖域盾构隧道延米造价估算表 表6

基于阳澄西湖三通道主线隧道的设计标准，即设计时速50km/h的双向六车道。围堰明挖隧道的主体结构净高6.65m，行车孔净宽12.1m，结构厚度通过工程类比与受力分析，如表4所示。

若主线设计时速50km/h的双向六车道采用盾构法施工，则采用2条外径13.95m，内径12.75m，管片厚度0.6m的盾构。

4.3 围堰明挖、盾构法延米造价估算

4.3.1 围堰明挖法隧道延米造价估算

围堰明挖隧道主要计入围堰结构、围护结构、主体结构的造价如表5所示，未计入隧道装修与机电设备等与水深关系较小的项目。

根据表5，一座长度为L的围堰明挖隧道，总造价S=延米造价×L（万元）。

4.3.2 盾构隧道延米造价估算

盾构隧道造价分为盾构掘进、管片、注浆、洞内装配结构等，其总造价随隧道长度变化，而盾构井及端头加固等造价不随长度变化。如前所述，在研究水深范围内（12m及以下），盾构延米造价受水深影响小，盾构延米造价如表6，分两部分计列，不含隧道装修与机电设备等。

一座盾构段长度为L的盾构隧道，盾构段总造价为S=6600+75.6L（万元）。

4.4 围堰明挖、盾构法延米造价水深的关系研究结果

根据前述方案，本隧道盾构段长度约1400m，盾构平均延米指标为75.6+6600/1400=80.3万元/m。采用内插法进行计算，在水深低于11m时，采用围堰明挖法更经济，水深高于11m时，盾构法更经济。

4.5 围堰明挖、盾构法延米造价与长度的关系研究结果

根据前述造价估算表，盾构法隧道由掘进指标75.6万/m与盾构井、端头加固等费用共同组成，因此当围堰明挖法隧道延米造价指标低于盾构掘进指标75.6万/m时，显然围堰明挖法更便宜，即水深10m及以下时，围堰明挖法更便宜。

当围堰明挖法隧道延米造价指标高于盾构掘进指标75.6万/m时，即水深12m时，需按总造价相等进行计算，

由 86.4×L=6600+75.6×L，解得 L≈611m，即在水深12m时，盾构段长度在611m时，围堰明挖法隧道与盾构法隧道造价基本相当；盾构段长度＜611m，围堰明挖法更便宜；盾构段长度＞611m时，盾构法更便宜。

5 结论

在城市湖域建设隧道工程，本文结合阳澄西湖三通道工程，通过对水下隧道常用施工方法：钻爆法、沉管法、围堰明挖法、盾构法从地质、外部条件、延米造价等多方面进行分析，得出如下结论：

①由于湖底地层主要为土层、软土层，钻爆法不适用；

②沉管法需要合适的干坞场地，满足管节浮运的水深条件等，一般湖域无法满足，不适用；

③盾构法、围堰明挖法从技术上均可满足工程建设条件，结合阳澄西湖三通道的实际平均水深（约2m），以及隧道长度约1765m，建议采用围堰明挖法施工；

④在湖域隧道前提下，水深小于11m，围堰明挖法相较于盾构法更经济，水深10m及以下时，围堰明挖法延米造价均低于盾构法，水深12m时，盾构段长度小于611m，围堰明挖法更经济，否则盾构法更经济。